船舶海水淡化技術(shù)及應(yīng)用探討

郭健東

（中國海警局直屬第四局，海南 文昌 571339）

船舶在海中的航行離不開淡水資源的支持，因為船舶自身攜帶的淡水資源有限，所以為了滿足船舶航行時的淡水需求，就必須借助海水淡化技術(shù)來獲取航行階段可用的淡水資源。通過深入分析海水淡化技術(shù)與應(yīng)用，能夠為船舶的海上航行提供很多幫助。因此，有必要對船舶海水淡化技術(shù)及應(yīng)用進行分析，以此來讓海水淡化技術(shù)在船舶海上航行中發(fā)揮出真正的價值。

1 船舶海水淡化技術(shù)重要性分析

在船舶進行海上航行時，海水淡化技術(shù)已經(jīng)逐漸成為船舶必不可少的關(guān)鍵性技術(shù)，因為淡水資源是船上所有人員的生命線。海水本身便是一種具有復(fù)雜成分的水溶液，而且在多種鹽類的作用下，海水含鹽量基本可以達到33000-35000mg/L。與此同時，因為海水不僅含鹽量極高，海水中還帶有其他復(fù)雜成分，所以船舶在正常航行期間，除了極個別情況下，根本無法直接進行海水應(yīng)用。需要注意的是，由于淡水的用途非常廣泛，所以根據(jù)用途上的差異，船舶對于淡水的要求往往各不相同，例如供船員、旅客飲用的淡水，其含鹽量與氯離子含量就遠遠低于柴油機的冷卻水。需要注意的是，如果船舶在海水運行時，所有淡水都將利用相同的海水淡化裝置進行淡水生產(chǎn)，為了滿足實際使用需求，就必須按照最高標(biāo)準(zhǔn)來安裝海水淡化裝置，否則單獨一臺海水淡化裝置將無法滿足船舶海上航行時的真實需求[1]。

2 船舶航行常見的海水淡化技術(shù)分析

2.1 電滲析淡化法

在船舶航行過程中，借助電滲析法可以通過相間排列的陰陽離子滲透膜來進行海水脫鹽處理。在直流電場的影響下，海水離子將會隨著滲透膜直接流入鄰近的隔離室，這種海水淡化技術(shù)在實際應(yīng)用中可以保證海水淡化效果，但是在海水淡化過程中則會消耗大量電能。而且離子滲透膜在實際應(yīng)用期間還不能與氯離子進行接觸，所以原水無法通過氯來實現(xiàn)殺菌處理，離子滲透膜在長時間的使用過程中將會逐漸滋生大量微生物。除此之外，為了避免離子滲透膜在長期使用中產(chǎn)生水垢，必須定期針對滲透膜開展酸洗工作并更換電極，因此相較于其他海水淡化技術(shù)而言，電滲析淡化技術(shù)的操作管理往往更加繁瑣。

2.2 冷凍淡化法

海水在鹽濃度未達到閾值的情況下，如果能夠?qū)⒑Ｋ疁囟冉档椭帘c，此時海水就會逐漸析出不帶有鹽分的冰晶，此時溶質(zhì)鹽將會留存在鹽水中。通過取出冰晶并利用淡水進行洗滌，便能夠直接清除晶體表面與間隙中留有的海水，此時通過對冰晶進行加熱，冰晶融化所產(chǎn)生的淡水便可以應(yīng)用到船舶航行中。由于冰凍淡化法在理論層面完全可行，但是在實際操作中卻具有較高的淡化難度，因此這種海水淡化技術(shù)并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 蒸餾淡化法

相較于前兩種海水淡化方法，蒸餾淡化法的應(yīng)用范圍更加廣泛，蒸餾法在實際應(yīng)用期間需要對海水進行加熱處理，通過加熱能夠讓海水汽化，通過將蒸汽再次冷凝便能夠獲取到含鹽量較低的蒸餾水。需要注意的是，因為蒸餾淡化法會導(dǎo)致相態(tài)發(fā)生改變，海水本身汽化潛熱相對較大，因此蒸餾淡化同樣需要消耗大量能源。而且在對加熱后的海水進行處理時，為了保證淡化效果，還需要針對海水淡化裝置中的結(jié)垢進行重點管理[2]。由于蒸餾法可以直接利用低溫?zé)嵩磥硗瓿傻幚恚钥梢越柚鷱U熱兩次回用來適當(dāng)降低能耗。除此之外，因為蒸餾法的類型有很多，如多級閃蒸、膜蒸餾等方法都可以在海水淡化中得到利用，因此在采用蒸餾法進行海水淡化時，必須找出適合的淡化方法，以此來滿足船舶對于淡水的需求。

2.4 反滲透淡化法

由于反滲透法在實際應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢，所以在如今的船舶海水淡化中，反滲透法的利用率非常高。反滲透法在實際應(yīng)用中，可以通過加壓的方式讓海水中的淡水通過反滲透膜來析出鹽分等大分子物質(zhì)。需要注意的是，在反滲透淡化過程中，滲透壓與水溫、鹽分濃度有直接關(guān)系，一旦淡水與海水溶液被反滲透膜分隔，就會因為壓力差異而導(dǎo)致淡水向一側(cè)析出。反滲透法在實際應(yīng)用中，因為海水中的懸浮物、鹽分等物質(zhì)多且復(fù)雜，所以反滲透膜在長期使用中必須加強反滲透膜清理，以此來避免雜物對膜造成污染。而且反滲透膜在使用過程中還容易在膜的表面不斷繁殖微生物，微生物的大量生成將會導(dǎo)致海水淡化效率大幅下降，因此為了進一步延長反滲透膜的壽命，在利用反滲透淡化工藝對海水進行處理時，需要借助海水預(yù)處理的方式來降低海水淡化工藝對膜的傷害。從海水淡化工藝的本質(zhì)出發(fā)，反滲透淡化工藝屬于以壓力為核心驅(qū)動力的一種淡化工藝模式，由于反滲透工藝的便捷性與淡化效果良好，因此反滲透淡化法如今已經(jīng)成為海水淡化領(lǐng)域的焦點技術(shù)，反滲透工藝如今不僅在船舶行業(yè)得到了廣泛利用，在其他領(lǐng)域同樣得到了廣泛關(guān)注，而且因為反滲透淡化工藝的優(yōu)勢明顯，所以在必要時還可以與其他淡化工藝相結(jié)合，以此來進一步提高海水淡化效果。

3 海水淡化技術(shù)在船舶中的應(yīng)用

海水淡化技術(shù)是保證船舶航行淡水資源供給的關(guān)鍵性技術(shù)，通過分析船舶海水淡化技術(shù)應(yīng)用，可以讓海水淡化技術(shù)的實際應(yīng)用效果得到進一步優(yōu)化，避免船舶在長時間航行中因為淡水資源不足而影響到航行能力。

船舶在航行期間，需要將淡水含鹽量控制在1000mg以內(nèi)，洗滌水需要將氯離子濃度控制在200mg/L，硬度要控制在7mg/L 以內(nèi)。飲用水則在保證清澈的同時要將含鹽量控制在500-1000mg，氯離子濃度為250-500mg/L，pH 值為6.5-9.5。若條件允許，還需要在淡化后的飲用水中加入微量礦物質(zhì)。假設(shè)1 艘2000t 排水量的船舶水艙為150t，攜帶船員100 人，計劃航行1 個月，在無法補給淡水的情況下，平均每人每天需要消耗生活用水50L 左右。而在安裝兩臺產(chǎn)水量為500L/H 的反滲透海水淡化裝置后，則可以將人均用水量提升至240L，可滿足航行過程中人員的基本生活用水需求。

3.1 反滲透預(yù)處理技術(shù)分析

反滲透預(yù)處理技術(shù)目的是降低海水對于反滲透膜的影響。海水淡化設(shè)備的運行質(zhì)量與預(yù)處理工藝質(zhì)量息息相關(guān)，一旦預(yù)處理質(zhì)量無法滿足海水淡化設(shè)備的需求，就會導(dǎo)致反滲透膜的使用壽命大幅下降[3]。反滲透海水淡化設(shè)備在實際使用期間，最為顯著的缺陷就是設(shè)備對于污染物的敏感程度相對較高，只有開展嚴(yán)格的預(yù)處理作業(yè)，才能保證反滲透膜的性能足夠穩(wěn)定。在海水淡化工藝中，能夠影響反滲透膜性能的因素有很多，水中的微生物、礦物質(zhì)等都會在設(shè)備運行中影響到反滲透工藝質(zhì)量。

反滲透工藝在傳統(tǒng)操作中，一般會通過消毒、沉淀、多介質(zhì)過濾的方式來進行預(yù)處理，這種傳統(tǒng)工藝能夠顯著降低水體本身的污染指數(shù)與濁度，但是因為海水不同于其他水體，所以利用這種方式進行預(yù)處理，往往無法對膠體、懸浮固體進行截留，所以出水流量、質(zhì)量無法保障穩(wěn)定性。有學(xué)者針對海水開展了SDI測定，并在測定中發(fā)現(xiàn)海水中存在大量亞微米物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在會導(dǎo)致常規(guī)傳統(tǒng)預(yù)處理工藝往往無法直接將海水處理到滿足反滲透工藝的需求。而通過對超濾預(yù)處理工藝進行分析，則可以保證預(yù)處理的最終效果成功滿足反滲透海水淡化設(shè)備的實際需求，因此為了提高反滲透工藝質(zhì)量，就需要結(jié)合超濾技術(shù)來開展海水預(yù)處理。

3.2 殺菌滅藻系統(tǒng)

為了提高反滲透海水淡化質(zhì)量，就需要解決海水中的各種微生物、藻類、細菌等物質(zhì)。在反滲透海水淡化裝置運行期間，各種細菌、藻類等物質(zhì)會在繁殖過程中為取水設(shè)施造成非常多的麻煩，嚴(yán)重時還將會影響到反滲透海水淡化裝置與管道的正常運行。若要提高工藝質(zhì)量，就必須解決這部分雜質(zhì)所帶來的負面影響。在反滲透海水淡化工藝中，可以通過加入液氯、硫酸銅等化學(xué)制劑來達到殺菌滅藻的效果。

3.3 過濾系統(tǒng)

由于海水本身具有周期性潮水變化的特性，漲潮與退潮都會帶來非常多的泥沙，大量泥沙會導(dǎo)致海水的濁度發(fā)生改變，一旦海水濁度出現(xiàn)了明顯變化，就會導(dǎo)致海水預(yù)處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定性受到影響。所以在完善反滲透海水淡化裝置時，需要在預(yù)處理系統(tǒng)中融入混凝過濾，這樣便可以提前清除海水中留有的膠體以及其他懸浮雜質(zhì)，進而實現(xiàn)對海水濁度的控制。通常情況下，反滲透海水淡化作業(yè)會通過污染指數(shù)來分析海水情況，只有將進入反滲透海水淡化裝置的水體污染指數(shù)控制在SDI ＜4 以內(nèi)，才能滿足反滲透海水淡化裝置的實際運行需求。而且因為海水比重偏大且pH 值高，因此混凝劑可以更多選用三氯化鐵，這種混凝劑在應(yīng)用期間并不會受到溫度所帶來的影響，能夠有效提高沉降效率。

相較于混凝過濾而言，砂碳過濾同樣是反滲透海水淡化裝置必須關(guān)注的焦點環(huán)節(jié)，砂碳過濾能夠顯著降低海水濁度，進一步提高反滲透海水淡化裝置的進水質(zhì)量。通常情況下，反滲透海水淡化系統(tǒng)可以在混凝過濾后的環(huán)節(jié)加入砂碳過濾器，以此來實現(xiàn)對水中懸浮物與細小顆粒物的清除[4]。

由于海水成分十分復(fù)雜，無論是硬度還是堿度，都普遍高于其他水體，因此為了讓反滲透海水淡化裝置得以順利運行，就必須避免系統(tǒng)在運行階段出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題，只有結(jié)合水質(zhì)情況添加阻垢劑，才能有效降低水垢所帶來的負面影響。需要注意的是，如果在進水環(huán)節(jié)利用氧化劑進行殺菌，則在進水環(huán)節(jié)還必須通過還原劑來進行水體還原，以此來實現(xiàn)對反滲透海水淡化裝置進水余氯的控制。

3.4 反滲透海水淡化裝置的應(yīng)用

反滲透海水淡化裝置在實際應(yīng)用中，可以針對海水進行過濾，降低海水中的鹽分以及其他物質(zhì)的比例。為了讓反滲透海水淡化裝置在運行中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換并強化節(jié)能效果，還應(yīng)該完善機組中的高壓泵與能量回收設(shè)備。能量回收設(shè)備能夠借助反滲透排放濃縮海水壓力來達到提高反滲透進水壓力的目的。只要能夠加強濃水能量利用率，就可以在降低能耗的同時控制經(jīng)費支出。

在反滲透海水淡化裝置運行期間，反滲透膜是淡化海水的主要元器件，只有選擇與系統(tǒng)相應(yīng)的反滲透膜，才能保證反滲透海水淡化效果滿足過濾要求。反滲透膜的脫鹽率、耐壓性等能力都是必須關(guān)注的重要性能，反滲透海水淡化裝置中的元器件在高壓區(qū)域需要采用不銹鋼材質(zhì)，這樣能夠在一定程度上避免高含鹽水質(zhì)對高壓管路造成腐蝕。

反滲透海水淡化裝置在應(yīng)用期間可以利用可編程控制器來實現(xiàn)分散采樣控制。通過集中管理操作系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)工藝參數(shù)來明確高壓、低壓保護開關(guān)，可以在流量、壓力達到閾值之后自動實現(xiàn)聯(lián)鎖報警，以此來實現(xiàn)對高壓泵以及反滲透膜的保護。通過變頻控制高壓泵的啟停，還可以進一步實現(xiàn)高壓泵軟控制，在降低能耗的同時避免因為水錘、反壓等問題而損壞元器件。在自動程序設(shè)計期間，可以在裝置開機、停機前后進行自動低壓沖洗，而且在停止運行時還能夠濃縮海水亞穩(wěn)定的狀態(tài)來轉(zhuǎn)化沉淀。所有低壓淡化水在沖洗過程中將會置換出很多濃縮海水，避免反滲透膜受損并進一步延長反滲透膜的運行壽命。而且通過對系統(tǒng)溫度、水質(zhì)等性能參數(shù)進行顯示、統(tǒng)計，還可以在反滲透海水淡化裝置運行期間直觀感受到工藝流程，并在系統(tǒng)控制下實現(xiàn)對人工操作程序的簡化，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

相較于其他海水淡化技術(shù)，反滲透技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便等優(yōu)勢，能夠滿足絕大多數(shù)船舶對于海水淡化功能的需求。在實際應(yīng)用中，可以將反滲透海水淡化技術(shù)劃分為海水預(yù)處理與海水淡化兩項工作，前者能夠為后者提供服務(wù)，避免因為海水成分過于復(fù)雜而影響到反滲透海水淡化裝置的運行效果。在反滲透工藝的支持下，排水量達到2000 噸的船舶、載員100 人、續(xù)航時間超過1 個月的情況下，能夠成功滿足海水淡化需求。需要注意的是，由于海水成分復(fù)雜，具有較強的腐蝕性，所以在選擇反滲透海水淡化裝置的元部件時，需要針對管道、閥門等部件的材質(zhì)進行重點篩選，只有具備足夠的耐腐蝕性才能滿足船舶長期航行的要求。

4 結(jié)論

總而言之，船舶海水淡化技術(shù)是保障船舶航行穩(wěn)定性、持續(xù)性的關(guān)鍵性技術(shù)，反滲透海水淡化技術(shù)作為常見海水淡化工藝，可以在保證海水淡化效果的同時實現(xiàn)成本控制。相信隨著更多人意識到船舶海水淡化技術(shù)的價值，海水淡化技術(shù)將會變得更加完善。